Nobelpreis für Physik 2004

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verleiht in diesem Jahr den Nobelpreis in Physik zu gleichen Teilen an die US-amerikanischen Theoretiker David Gross, David Politzer und Frank Wilczek für ihre Entdeckung der asymptotischen Freiheit in der Theorie der starken Wechselwirkung. Ihre Arbeit hat entscheidend dazu beigetragen, die Natur der starken Wechselwirkung zu verstehen. Darüber hinaus hat sie die Möglichkeit zu einer vereinigten Theorie der elektrischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung eröffnet.

Die theoretischen Physiker David Jonathan Gross (geb. 1941), Hugh David Politzer (geb. 1949) und Frank Anthony Wilczek (geb. 1951) sind seit längerem 'heiße' Anwärter auf den Nobelpreis gewesen. Mit ihren grundlegenden Arbeiten zur starken Wechselwirkung, die sie 1973 mit zwei Veröffentlichungen im selben Heft von Physical Review Letters begonnen hatten, haben sie zum einen das Rätsel gelöst, warum man keine einzelnen Quarks beobachten kann. Zum anderen haben sie durch der Entdeckung der 'asymptotischen Freiheit' gezeigt, wie man mit einer fundamentalen Theorie der starken Wechselwirkung zu experimentell überprüfbaren Aussagen kommen kann. Seither ist die so genannte Quantenchromodynamik durch Experimente wie z. B. mit dem LEP immer wieder eindrucksvoll bestätigt worden.

Vor den Arbeiten von Gross, Politzer und Wilczek warf die starke Wechselwirkung einige unüberwindlich erscheinende Schwierigkeiten auf. Experimente hatten gezeigt, dass die Kernbausteine wie Protonen und Neutronen aus elektrisch geladenen Quarks aufgebaut sind, die stark miteinander wechselwirken. Doch im Gegensatz zur Quantenelektrodynamik, wo die Kopplungskonstante kleiner als 1 ist (alpha= 1/137), war sie für die starke Wechselwirkung viel größer als 1. Damit schien es aussichtslos, experimentell überprüfbare Vorhersagen durch Störungstheorie gewinnen zu wollen. Außerdem sträubten sich die Quarks dagegen, voneinander getrennt zu werden. Die Kräfte zwischen diesen Teilchen schienen mit zunehmendem Abstand nicht abzunehmen sondern über alle Grenzen zu wachsen.

Die Arbeiten von Gross und Wilczek sowie von Politzer zeigten nun, dass die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung nicht wirklich konstant ist, sondern ihre Größe vom Abstand der wechselwirkenden Teilchen oder allgemeiner von der Energie abhängt, mit der die Teilchen sich gegeneinander bewegten. Tatsächlich stellte sich heraus, dass die 'starke' Wechselwirkung immer schwächer wird, je näher sich die Quarks kommen. Im Grenzfall eines beliebig kleinen Abstandes bewegen sich die Teilchen kräftefrei. Diese asymptotische Freiheit erklärt zu haben, ist die große Leistung von Gross, Politzer und Wilczek.

Im Falle der Quantenelektrodynamik sind die Photonen die Teilchen, die die elektromagnetische Wechselwirkung vermitteln. Im Gegensatz zu den wechselwirkenden geladenen Teilchen tragen die Photonen keine Ladung und ziehen sich deshalb auch nicht an. Bei der starken Wechselwirkung hingegen tragen die Quarks die so genannte Farbladung, die drei verschiedene Werte oder 'Farben' annehmen kann. Nur farbneutrale Ansammlungen von Quarks können sich frei bewegen. Die starke Wechselwirkung wird von den Gluonen vermittelt, die wie die Quarks Farbladung tragen und ihrerseits an der Wechselwirkung teilnehmen, d. h. einander mit Hilfe von weiteren Gluonen anziehen können, die ihrerseits durch weitere Gluonen wechselwirken und so fort.

Wenn zwei Quarks einander immer näher kommen, ist gewissermaßen immer weniger Platz für diese Gluoneninflation und die 'starke' Wechselwirkung wird immer schwächer. Umgekehrt wenn die zwei Quarks immer weiter auseinander gezogen werden, dann nimmt die Zahl der Gluonen zwischen ihnen immer mehr zu und mit ihr die Stärke der Kraft, die zwischen den Quarks wirkt. Auch im Proton, das aus drei Quarks besteht, ist genügend Platz für die Gluonen, die sowohl zur Protonenmasse als auch zum Spin ganz entscheidend beitragen. Das scheinbar elementare Proton ist in Wirklichkeit ein chaotisches Durcheinander von zahllosen Gluonen und Quarks.

Dass die Kopplungskonstante vom Abstand oder von der Energieskala abhängig ist, ist keine Besonderheit der starken Wechselwirkung. Auch die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung zeigen diese Energieabhängigkeit. Für Energien von 10 ¹⁵ GeV sind die Kopplungskonstanten dieser drei normalerweise so unterschiedlich starken Wechselwirkungen beinahe gleich. Damit erscheint es möglich, die elektroschwache Wechselwirkung und die Quantenchromodynamik zu vereinen.

Erweitert man die Beschreibung der Naturkräfte durch Einführung der Supersymmetrie, dann nehmen alle drei Kopplungskonstanten bei sehr hoher Energie tatsächlich denselben Wert an und es finden sich alle Naturkräfte, abgesehen von der Schwerkraft, tatsächlich zu einer zusammen. Die Entdeckung von supersymmetrischen Partnern zu den bekannten Elementarteilchen, etwa mit Hilfe des in Bau befindlichen Large Hadron Collider, wäre der krönende Abschluss einer Entwicklung die mit den fundamentalen Arbeiten von Gross, Politzer und Wilczek begonnen hat.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  D. J. Gross and F. Wilczek: Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories. Phys. Rev. Lett. 30, 1343 (1973)
  
  H. D. Politzer: Reliable Perturbative Results for Strong Interactions. Phys. Rev. Lett. 30, 1346 (1973)
  
  D. J. Gross and F. Wilczek: Asymptotically Free Gauge Theories. I. Phys. Rev. D 8, 3633 (1973)
  
  H. D. Politzer: Asymptotic Freedom: An Approach to Strong Interactions. Phys. Rep. 14, 129 (1974)
  
  
• Frei verfügbar bei arXiv.org:
  Asymptotic Freedom and the Emergence of QCD - by David Gross
  http://arxiv.org/abs/hep-ph/9210207
  
  
• Weitere Links
  Infos zum Preis und den Preisträgern finden Sie bei http://www.nobel.se